2004年数理大学天文学课程内容layout_3_1
天文学专业本科课程设置
天文学专业本科课程设置引言天文学是一门研究宇宙天体及其演化规律的学科，已成为自然科学中的重要分支。
作为一门专业学科，天文学的教育培养是为了培养掌握天文学基础理论和实践技能，具备研究和工程实践能力的高级专门人才。
为了确保学生获得全面的天文学知识，天文学专业的本科课程设置具有严谨的科学性和系统性。
课程设置天文学基础课程1.天文学导论2.天体物理学3.天体测量学4.天体力学5.宇宙学天体物理学专业课程1.恒星物理学2.星系物理学3.宇宙化学4.中微子天体物理学5.高能天体物理学天体测量学专业课程1.天文观测技术与仪器2.天文数据处理与分析3.天文探测器原理与设计4.天文观测与测量方法5.天文大数据处理与应用天体力学专业课程1.天体动力学2.天体形状与自转3.天体轨道计算与模拟4.人造卫星运动与控制5.小行星与彗星运动天文学研究方法与实践1.天文观测实践2.天文数据处理实践3.天文仪器制作实践4.天文实验方法5.科学文献检索与论文写作选修课程1.天体文化与历史2.天文学中的计算机应用3.天体影像处理与绘图4.天体生物学5.星际导航与航天技术课程设置目标通过上述课程设置，本科生将获得以下能力和知识：1.掌握天文学基础理论，了解天文学的发展历史和主要研究内容。
2.熟悉天文学的观测技术和仪器，能够进行天文观测和数据处理。
3.理解宇宙的组成、演化和结构，掌握天体力学和天体物理学的基本原理。
4.具备设计和制作天文仪器的能力，能够参与天文观测项目的研究与开发。
5.具备科学研究和实验的方法论，能够运用科学方法解决天文学中的实际问题。
6.了解天文学在现代社会中的应用领域，掌握一定的计算机应用技能。
7.培养对天文学历史、文化和传统的兴趣和理解，提升人文素养。
总结天文学专业本科课程设置旨在培养具备天文学基础理论和实践技能的高级专门人才。
通过系统的课程安排，学生将获得广泛的天文学知识，熟悉天文观测和数据处理的技术，掌握天体物理学、天体力学等专业知识，以及科学研究和实践的方法。
天文学专业基础设置
天文学专业基础设置引言天文学是一门研究天体及宇宙现象的科学，为了培养优秀的天文学专业人才，大多数高校设立了天文学专业。
为了保证学生能够掌握天文学的基本理论和实践技能，天文学专业的基础设置至关重要。
本文将介绍天文学专业的基础设置，包括必修课程和选修课程。
必修课程天体物理学天体物理学是天文学的核心学科，是学生了解天体的物理性质和演化过程的重要课程。
该课程主要涵盖天体物理学的基本概念、天体的结构和组成、恒星的演化过程、星系结构和宇宙学基本原理等内容。
学生通过学习天体物理学，能够深入了解天体的形成、演化和相互作用，从而为进一步研究和探索宇宙奠定基础。
天体观测技术天文学是一门观测导向的学科，天体观测技术是天文学专业学生必备的实践技能。
该课程主要包括天体观测技术的基本原理、观测仪器和设备的使用方法、观测数据的处理和分析等内容。
学生通过实际操作和实验，将学到的理论知识应用于实际观测，培养其观测和实验研究的能力。
天体力学天体力学是研究天体运动规律和相互作用的学科，是天文学专业的核心内容之一。
该课程主要介绍天体力学的基本概念、天体运动的数学描述和预测方法、天体的相互引力和离心力等内容。
学生通过学习天体力学，能够掌握天体运动的基本规律，为研究天体的轨道、动力学和引力现象提供理论基础。
天文数据处理与分析天文学是一门数据密集的学科，天文数据处理与分析是天文学专业学生必修的实验课程。
该课程主要包括天文数据的获取方法、数据处理和分析的基本技术、常用的统计方法和模型拟合等内容。
学生通过实际的数据处理和分析，培养其科学研究的能力，并掌握常用的数据处理工具和软件。
选修课程射电天文学射电天文学是研究利用射电波段进行天体观测和研究的学科，是天文学专业学生的重要选修课程之一。
该课程主要包括射电观测技术和仪器、射电源的物理特性和分类、射电天体的演化和研究方法等内容。
学生通过学习射电天文学，能够掌握射电观测的基本原理和技术，为研究射电天体和宇宙提供重要的观测手段。
天文学入门
天文学入门一、天文学简介天文学是一门研究宇宙中所有天体（包括恒星、行星、卫星、星系等）的科学。
它不仅涉及到这些天体的物理性质和运动规律，还包括对宇宙的起源、结构、演化以及最终命运的探索。
天文学是自然科学中最古老且最基础的学科之一，与物理学、数学、化学等学科紧密相连。
二、天文学的历史发展古代天文学在古代，人们通过观察天空中的星星和行星来预测季节变化和农业活动。
古埃及、巴比伦、中国和玛雅文明都有详细的天文记录。
例如，中国古代的《周髀算经》和《甘石星经》都详细记载了天文现象和观测方法。
中世纪天文学到了中世纪，阿拉伯学者在天文学领域取得了显著进展。
他们翻译和保存了大量古希腊和罗马的天文学著作，并在此基础上进行了进一步的研究。
例如，阿尔·苏菲的《恒星之书》详细描述了1019颗星星的位置和亮度。
现代天文学随着望远镜的发明和近代科学技术的发展，天文学进入了一个新的时代。
伽利略首次使用望远镜观测到木星的四颗卫星，这标志着现代天文学的开始。
此后，牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及哈勃对宇宙膨胀的发现，都极大地推动了天文学的发展。
三、天文学的主要分支观测天文学观测天文学是通过直接观测天体来获取数据和信息的分支。
它依赖于各种类型的望远镜和其他观测设备，如射电望远镜、红外望远镜和空间望远镜。
观测天文学的主要任务是收集和分析来自宇宙的数据，以便更好地理解天体的物理性质和运动规律。
理论天文学理论天文学利用数学和物理原理来解释和预测天文现象。
它涉及复杂的计算和模拟，以帮助科学家理解宇宙的基本结构和演化过程。
例如，宇宙大爆炸理论、恒星形成和演化模型等都属于理论天文学的范畴。
实验天文学实验天文学是在实验室条件下研究天文现象的分支。
尽管许多天文现象无法在地球上完全重现，但实验天文学可以通过模拟和实验来验证理论模型的正确性。
例如，通过对太阳风的研究，可以更好地理解太阳对地球的影响。
四、天文学的应用时间测量古人通过观测天象来确定时间和季节，从而指导农业生产活动。
天文学本科课程
天文学本科课程天文学是研究天体物理学和天体现象的科学。
它涉及对星体，行星，恒星，星系和宇宙等天体现象的观测、研究和解释。
天文学本科课程是培养学生对天文学基本理论和实践技能的培养。
天文学本科课程通常包括以下几个方面的内容：1. 天体物理学：学习天体的物理性质、进化过程和相互作用。
例如，学生将深入研究恒星的结构和演化、行星的形成和演化、星系的结构和动力学等。
2. 天体观测与数据分析：学习使用天文观测设备进行天体观测和数据收集，并学习如何分析和解释这些观测数据。
学生将接触到各种天文观测技术，包括光学望远镜、射电望远镜、太空望远镜等。
3. 宇宙学：学习宇宙的起源、演化和结构。
包括宇宙大爆炸理论、暗物质和暗能量的研究、宇宙微波背景辐射等。
4. 天体测量和坐标系统：学习天文测量的基本原理和技术，掌握天体测量的方法和仪器。
同时，学生还会学习天体坐标系统和星表的使用。
5. 天体力学：学习天体运动的基本原理和数学模型，包括行星运动、彗星轨道、星系相互作用等。
6. 天文学史：学习天文学的发展历史和重要的科学家和理论，了解天文学在人类文明发展中的重要作用。
天文学本科课程通常包括理论课程和实验实习。
理论课程包括教授天文学的基本概念、理论模型和数学方法。
学生将学习天文学的基本原理和理论，并通过课堂讨论和作业来加深对知识的理解。
实验实习课程则提供实践机会，让学生亲自参与天文观测和数据分析。
天文学本科课程的毕业要求通常包括完成一定学分的课程学习、参与科研项目或实习经验，并完成一份研究报告或论文。
毕业后，学生可以选择继续攻读天文学研究生课程，或进入科研机构、大学、天文馆等从事天文学相关的工作。
天文学选修课课件
第三章天体的辐射和天文观测主要内容•天体的辐射•天文观测工具•天体光度测量•天体光谱分析•天文测量•天体距离、大小、质量和年龄的测定一、天体的辐射来自宇宙的信息•电磁辐射(electromagnetic radiation)•宇宙线(cosmic rays)•中微子(neutrinos)•引力波(gravitational wave)1、电磁辐射电磁辐射是由发生区域向远处传播的电磁场。
它以变化的电磁场传递能量、是具有特定波长和强度的波（波动性）波长范围：0.01Å ～30 m 1 Å = 10-10 m (波长λ)×(频率ν) ＝光速c = 3×1010 cms-1产生电磁波的方式：能级跃迁热辐射电磁振荡等根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等波段。
可见光又可分解为七色光(红橙黄绿青蓝紫)•射电(无线电波)：>1毫米•红外线：0.77微米～1毫米•可见光：390纳米～770纳米•紫外线：10纳米～390纳米•Ｘ射线：0.1埃～100埃•g射线：<0.1埃大气窗口(atmospheric window)地球大气有选择地吸收电磁辐射只有某些波段的电磁辐射能穿过大气层，达到地面，这些波段称为“大气窗口”。
两个窗口：光学窗口：波长300nm～700nm射电窗口：波长1mm～20m2、宇宙线天体发出的高能粒子流，主要是电子、质子、α粒子（氦原子核）等。
虽然它们运动很快、穿透力强，但由于它们带有电荷，在到达地球表面之前，不仅会和途中物质发生相互作用，而且会受到宇宙空间磁场的影响，不断改变运动方向。
因此很难判断它们的真实源头，在使用它所携带信息上有一定困难。
3、中微子一种以光速运动的基本粒子，其穿透力极强，停止一个中微子的运动要厚达1光年的铅板。
很少与其他物质发生相互作用，可以轻易地从天体内部深处跑出来，带出其他媒体无法传递的信息。
大学概论课-天文学基础1
中国古代天文学
最悠久、最系统、最丰富、最精确的天象纪录；
现存最早的古星图 (10世纪 英博物馆)
中国古代天文学
最悠久、最系统、最丰富、最精确的天象纪录；
西汉(公元前206－公元8年)
中国古代天文学
制作优异的天文仪器；
圭表
日晷
“以土圭之法测土深，正日景以求地中。” 《周礼》
天文研究的特点 5 需要科学的哲学观
宇宙间物质及其发展规律的统一性 人类(及所寄居的地球、太阳系、银河系……) 在宇宙中不具有特殊优越的地位 宇宙间物质的无限性
—居支配地位的哲学观点
哲学思辨不等于科学研究
天文学有什么用？
时间服务
润秒
1990.1.1 1991.1.1 1992.7.1 1993.7.1 1994.7.1 1996.1.1 1997.7.1 1999.1.1 -25 -26 -27 -28 -29 -30 -31 -32
（50年代后：航天技术）
天文研究的特点 2 依赖模型和假设 广义相对论
宇宙常数？
2003.3.11：
物质（分子组成） 4% 暗物质 26％ 暗能量 70%
宇宙始于大爆炸而终于黑洞？
天文学研究的基本过程
• 以观测为基础； • 用物理规律来解释观测事实； • 推出天体的物理本质； • 若有矛盾时，要提出新的物理概念，用新 的观测去检验新的物理概念是否正确。
十六世纪末 利玛窦（Mathew Ricci）
天文学释义
astronomy 在发端于古代巴比伦的星占学传入希腊之前，一种以 探索自然为宗旨的、独立的天文学已经在希腊产生并且相 当发达了。 astrology 星占学是一个名叫贝罗索斯（Berossus）的人于公元 前280年左右传进希腊的。
大学天文教程课全套教案
课程名称：大学天文教程授课对象：大学本科生课时安排：共12课时教学目标：1. 使学生掌握天文基本知识，了解宇宙的基本结构。
2. 培养学生的天文观测和实验能力。
3. 增强学生的科学素养和探索精神。
教学内容：1. 天文基本知识2. 天文观测方法3. 天文仪器与设备4. 太阳系5. 恒星与星系6. 宇宙探索课时安排：第一课时：课程导论教学内容：1. 介绍天文学的基本概念和重要性。
2. 阐述本课程的教学目标和内容安排。
3. 引导学生了解天文学的发展历程。
第二课时：天文基本知识教学内容：1. 天文坐标系（赤道坐标系、银道坐标系、地平坐标系）。
2. 天文单位（光年、秒差距、天文单位）。
3. 天文现象（日食、月食、流星雨）。
第三课时：天文观测方法教学内容：1. 光学观测方法（望远镜的使用、恒星光谱分析）。
2. 射电观测方法（射电望远镜的工作原理、射电天文学）。
3. 其他观测方法（红外观测、紫外观测）。
第四课时：天文仪器与设备教学内容：1. 望远镜的类型（折射望远镜、反射望远镜、折反射望远镜）。
2. 射电望远镜的结构与工作原理。
3. 其他天文仪器（光谱仪、射电望远镜、红外望远镜）。
第五课时：太阳系教学内容：1. 太阳系的组成（太阳、行星、卫星、小行星带、彗星）。
2. 行星运动规律（开普勒定律）。
3. 行星表面的特征（地球、火星、金星、水星、土星、木星、天王星、海王星）。
第六课时：恒星与星系教学内容：1. 恒星的分类（主序星、红巨星、白矮星）。
2. 星系的形成与演化。
3. 星系分类（椭圆星系、螺旋星系、不规则星系）。
第七课时：宇宙探索教学内容：1. 宇宙的起源与演化（大爆炸理论）。
2. 宇宙膨胀与暗物质、暗能量。
3. 宇宙背景辐射与宇宙微波背景辐射。
第八课时：天文观测实践教学内容：1. 天文望远镜的组装与调试。
2. 天文观测技巧（星图识别、恒星观测）。
3. 观测数据的记录与分析。
第九课时：天文观测报告教学内容：1. 学生分组进行天文观测实践。
专业详解-天文学(理学学士)
天文学（理学学士）一、毕业生应具备的知识和能力（1）系统地掌握数学、物理等方面的基本理论、基本知识和基本方法；（2）掌握天文学的基本理论和基本知识，掌握天文观测的设备和技术以及基本分析方法；（3）具有较强的理论分析、数据处理和计算机应用能力；（4）了解相近学科的一般原理和知识；（5）了解天文学科发展的理论前沿和最新发展动态；了解国家科学技术、知识产权等有关政策和法规；（6）掌握文献检索、资料查询的基本方法，能够运用现代信息技术获取相关的信息；（7）掌握一门外语，能较熟练地阅读本专业外文书刊。
二、专业课程设置1、专业基础课高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学物理实验、C语言程序设计、理论力学△、数学物理方法△、光学△、电动力学△、普通天文学△、天体力学基础△、数据处理、流体力学。
2、专业课球面天文学△、实测天体物理△、理论天体物理△、星系物理△、天体力学方法△、统计物理△、近代物理实验。
3、专业选修课大学化学、大学生物学、专业外语、文献检索、X射线双星、宇宙学导论、数值计算方法、近代天文讲座、天文学史、相对论基础、中子星物理、数学建模、电子技术、多媒体技术与应用、宇航动力学引论。
三、专业实践教学内容认识实习、科技训练、天体观测实习、毕业实习、毕业论文。
四、研究生专业天体物理、天体测量与天体力学。
五、与高中科目的相关程度语文C、数学A、英语B、物理A、化学C、生物E、计算机C、政治E、历史D、地理C、美术D、音乐E。
六、就业与薪酬1、就业范围天体物理研究所、天文台、航天科研部门、气象部门、科技馆、大学、测绘部门、地震科研部门、矿产资源勘测部门等。
2、薪酬B七、本专业较好的大学南京大学、北京大学、北京师范大学等。
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The expanding, warming, brightening Sun
30% brighter, 10% bigger diameter,
slightly hotter.
The surface of a main-sequence star like the Sun occasionally erupts in flares and
• 此处用到了Virial theorem 定理.
• It determines how quickly a star contracts before nuclear fusion starts - i.e. sets roughly the pre-main sequence lifetime.
LLeessss PP aanndd TT SSlloowweerr ffuussiioonn
问大质量、高光度的O、B型星在主序阶段只可以停留几百万到几千 万年，而低光度、小质量的K、M型星则可停留几千亿或几万亿年的17 原因是什么？
主序星的特点
dT dr
=
3 −(
4 ac
)(
κρ T3
)(
Lr 4πr 2
equilibrium.
8
热时标
(Thermal or Kelvin-Helmholtz time-scale)
恒星辐射掉自身热能（引力能）所需的时间
t KH
＝
(0.5GM2/R)/L
有时没有0.5
≈ (1.6×107yr) (M / M⊙)2 (R / R⊙)-1 (L / L⊙)-1
它也是恒星通过电磁辐射带走能量，对内部热力学结构 进行整体调节的时标。
显然恒星的质量越大，在主序阶段的寿命越短。
16
3. 不同质量主序星的演化时标
M (M⊙) tnuc (yr) ttot (yr)
25 2 µ 106 3 µ 106
10 2 µ 107 2.5 µ 107
1.0 1010 1.2 µ 1010
0.2 1 µ 1011 1.3 µ 1011
MMoorree mmaassss
9
核反应时标
（ Nuclear time-scale ）
恒星辐射掉由核心区核反应产生的所有能量的时间，即
恒星消耗掉核心区域核反应燃料而离开主序阶段的时间
τ nuc
=
ε
⋅ qSC ⋅ L
Mc 2
其中ε 为1H Æ 4He的产能效率 ~ 0.7%。qSC为能够提供核反 应的燃料在恒星总质量中所占的比例， ~ 10%。
恒星：由炽热气体组成的、能自
身发光的球状或类球状的自引力 束缚的天体。
A star can be defined as a body that satisfies two conditions:
(a) it is bound by self-gravity; (b) it radiates energy supplied by an internal source.
luminosity increases very slowly with time. The Sun has roughly the same surface
temperatureas it had when it formed nearly 5 billion years ago, and is some 30
)
4. 主序星内部化学 组成的变化
随着核反应的进行，核心区 的 H 元素丰度逐渐减小，直 至枯竭，全部转变成4He。
4 H → 4He + 2 e+ +2 ne + g
以太阳为例：
太阳为中小质量的恒星，G2V型主序星。 从诞生到现在已经有46亿年，和零龄状态 已经有显著的差别。
中心温度已经升高至1.5 µ 107 K，核心部 分氢氦之比却由3:1降到1:1甚至1:2，使产 能的能力已经大为下降，
由此可给出核反应的时标
tnuc º (1010 yr) (M / M⊙) (L / L⊙)-1
对于太阳显然有td á tKH á tnuc ，因此可以非常好的用流 体静力学平衡方程来描述，才能够确保恒星处于机械平 衡和热平衡的状态。
10
恒星的普查（Stellar Census）
Why ?
There are many more small, faint red dwarf stars on the main sequence than large, luminous blue stars.
2. 主序星的演化
3.不同质量主序星的演化时标
4. 主序星内部化学组成的变化
5. 演化路径
太阳附近5 pc范围内的恒星 在赫罗图上的分布。
14
1. 主序星的性质
– 均匀的化学组成 – 核心 H 燃烧 – 质量范围:
0.08 M⊙ < M < ~100 M⊙ – 质光关系和质量-半径关系
L ~ M 2.5 - 4, R ~ M 0.5 - 1
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2. 主序星的演化
(1) 零龄主序 (zero age main-sequence star, ZAMS) 刚刚开始核心 H 燃烧的恒星，在H-R图上占据主序带 的最左侧。
(2) 主序演化时标 — 核反应 (4 1H→4He + g ) 时标 tnuc＝ηDMc2/L ≈(1010 yr) (M/M⊙) (L/L⊙)-1 (1010 yr) (M/M⊙)-2.5 for M > M⊙ = (1010 yr) (M/M⊙)-2 for M < M⊙
(2) 红巨星支(red giant branch)
H-R图：恒星向右上方攀升成 为红巨星。 内部过程：核心H枯竭 →Rc↓ → Tc↑ 核区电子简并 →壳层H燃烧 →R↑→T↓ →在恒星包层，对流传递能量 →L↑
26
τ ≈ 105 yr
27
Evolution of a star like the Sun in a luminositytemperature (or HertzsprungRussell) diagram.
Twinkle, twinkle, little stars, how I wonder what you are, Up above the world so high, like a diamond in the sky
– Jane Taylor (1806)
1
要求掌握内容
• 恒星演化的基本原理， Russell-Vogt 原理；恒星演化时标的物理意
在此以1M⊙恒星的演化为例。 演化阶段可以分为
(3) He闪
(4) 水平支
(5) 渐进巨星支
(6) 行星状星云与白矮星
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(1) 亚巨星支(subgiant branch)
H-R图：恒星逐渐向右脱离 主序。 内部过程：核心H枯竭，He 核收缩，壳层H燃烧，体积 膨胀，表面温度降低。
τ ≈ 108 yr
11
3. 恒星统计与演化
• 如果认为相同质量的 恒星的演化过程基本 相同，则在H-R图上恒 星的不同类型反映它 们处于不同的演化阶 段。
• 如果认为恒星的诞生 率和死亡率一致，则 在H-R图上某一类恒星 数目的多少就反映了 恒星在该演化阶段所 停留时间的长短。
12
§3.2 主序星的演化
1. 主序星的性质
SShhoorrtteerrlliiffee LLoonnggeerrlliiffee
LLeessss mmaassss
MMoorree PP aanndd TT FFaasstteerr ffuussiioonn
TThhee rreellaattiioonn ggooeess aass:: With t~ =1010 yrs, MS life for the Sun
percent brighter than it was at that time.
21
§3.3 恒星主序后的演化
低质量恒星的演化 较高质量恒星的演化
高质量恒星的演化 特大质量恒星的演化 不同质量恒星的演化结局 恒星演化与元素合成
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1. 低质量 (M <2 .25M⊙) 恒星的演化
(1) 亚巨星支 (2) 红巨星支
spots, but for the most part the star does not experience sudden, large-scale
changes in its properties. Its average temperature remains fairly constant while its
26.73 Mev
§3.5 密近双星的演化
具体参见书或电子教材的第二十章
3
4
§3.1 恒星演化的基本原理
1. Russell-Vogt 原理
2. 恒星演化的时标
3. 恒星统计与演化
恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（流体静力学 平衡和热平衡）。当恒星无法产生足够多的能量时，它们 就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化。
其中< r >为恒星的平均密度。对于太阳大约是1600 s左右。 这个时标常用于判断流体静力学平衡条件是否能够成立。
In most Phase of their life the star change slowly on a time-scale that is
very long compared to t d . Then they are very close to hydrostatic
• The evolutionary path of the mature and aging Sun is traced out by the line, with markers spaced by 250 million years.